变压器差动保护二次谐波制动原理分析探究

变压器差动保护二次谐波制动原理分析探究

李奇峰

中韩（武汉）石油化工有限公司湖北武汉430080

摘要：空载和渣产生的励磁涌流是导致变压器差动保护不正确动作的主要因素，同时也会造成电网中谐波、电压暂降等电能质量问题。重点针对变压器差动保护二次谐波制动原理，和对变压器励磁涌流的产生机理和性质进行分析和研究，为了提高电网系统的继电保护水平，分析了变压器继电保护中的励磁涌流现象，提出了更有效的二次谐波制动保护方法。

关键词：励磁涌流 二次谐波 变压器 直流分量

0 引言

变压器在电力系统安全运行中起着重要作用。差动保护作为主保护最关键的问题就在于励磁涌流引起的保护误动作，长期以来二次谐波原理被用于制动励磁涌流。常规采用的励磁涌流方式会出现故障变压器空投时非故障相闭锁故障相的现象，导致变压器保护延时动作。不能迅速切除故障，降低超高压系统中变压器保护的性能。而这个缺陷可以在变压器保护微机化后通过合理选择谐波制动比、制动逻辑或增补辅助判据得到较大改善。

1 变压器保护二次谐波制动原理

图1所示为双绕组单相变压器纵差保护的原理接线图。i₁、i₂分别为变压器一次侧和二次侧的电流，i₁、i₂为相应的电流互感器二次电流。流入差动继电器KD的差动电流为i₂。纵差保护的动作判据为：I₁≥lyt

式中I;为差动电流的有效值，I,=1i;+iz|。

图1双绕组单相变压器纵差保护原理接线图

正常运行和区外故障时i,为零，保护不会动作；变压器内部故障时，相当于在变压器内部增加一条故障支路，流入差动继电器的差动电流I等于该故障支路的电流，当故障支路电流大于差动继电器的动作电流Iga时，纵差保护将迅速动作。

图2为双绕组单相变压器等效电路，励磁回路相当于变压器内部故障支路，根据纵差保护原理，励磁电流I将全部流入差动继电器中，形成不平衡电流。正常运行时变压器铁心不会饱和，励磁电流一般不会超过额定电流的2%~5%(8),对纵差保护的影响常常略去不计；当变压器空载投入或外部故障切除使得电压恢复时，变压器铁心严重饱和而产生的励磁涌流最大可达额定电流的4~8倍，由于励磁涌流的影响，差动电流I将超过纵差保护动作电流，引起变压器保护误动作。

图2双绕组单相变压器等效电路

励磁涌流是由变压器铁心严重饱和产生，铁心饱和后的非线性特征使励磁涌流中除含基波分量外，还含有大量的非周期分量和谐波分量，其中以二次谐波为主。因此可以使用二次谐波制动方法有效识别励磁涌流，保证变压器纵差保护的正确动作。当检测到差动电流中二次谐波含量大于整定值时将差动继电器闭锁，通常按照躲过各种励磁涌流下最小的二次谐波含量整定，整定值一般设置为15%左右。

2 变压器励磁涌流产生机理及特性

电力变压器在空载投入电网或外部故障切除后电压恢复时，由于变压器铁芯磁通的饱和及铁芯材料的非线性特征，会产生相当大的励磁电流(可达到额定电流的8~10倍),即励磁涌流若差动保护不能躲过这一电流，就会发生误动作。

φ为磁通，φ,为饱和磁通量，当φ达到φ值时，饱和曲线近似看作直线φP,即当φ>φ时，i随φ线性急剧增长。如果变压器铁芯磁通未达到饱和，i的值很小，几乎为0。假设电压过零时合闸，对应的电压幅值为U,此时铁芯中必有稳态磁通φ(t),φ()=fudr=ʃUsin(wt+a)=-φcos(wt+α)+φx，式中=U/w为稳态磁通的幅值。设φ,为空载合闸前的铁芯剩磁，合闸瞬间t=0时，由式可得：φ(0)=-cosα+φx根据磁通守恒定律φ(O)=φ,得：φx=φ,+φcosa由此得到：φ(t)=-φmcos(wt+a)+φx=φmcosa-φcos(wt+a)+φ。

励磁涌流的特性：

(1)励磁涌流的变化曲线为尖顶波型，含有大量的高次谐波分量(主要是二次和三次谐波)。

(2)波形完全偏离时间轴的一侧，并且出现间断。涌流越大，间断角越小，非周期量越大。

(3)励磁涌流的衰减常数与铁芯的饱和程度有关。饱和越深，电抗越小，衰减越快。一般情况下，变压器容量越大，衰减的持续时间越长，但总的趋势是涌流的衰减速度往往比短路电流衰减慢一些。

(4)变压器空载合闸时，涌流是否产生以及涌流大小跟很多因素有关，主要受到变压器铁芯剩磁、合闸角和饱和磁通的影响。

3 不同的转角方式对保护可靠性的影响

变压器差动保护性能与相位校正方式有很大关系。传统的相位校正是由差动继电器来解决。这样空载合闸充电时，流入差动继电器的电流实际上是高压侧两相涌流之差，波形特征与各相原始涌流相比在一定程度上发生了改变。如果两相涌流异向，则相减后差流中二次谐波含量比例可能大于原涌流中的比例；相反，如果两相涌流同向，则相减后差流中二次谐波含量比例可能小于原涌流中的比例。因此二次谐波制动原理也受到相位校正方式的影响。

差动保护采用△侧相位校正转换方式。为了希望保持涌流的原始特征，避开对称性涌流的问题，用Y侧电流仅减去零序电流。虽然这样出现对称性涌流的可能性较小，但由于Y侧电流减去零序电流，实际上转换后任一相差流包含了三相涌流的信息。这样三相涌流将相互影响，难以确认二次谐波制动的比例。

由上述可见，国内大多使用Ka₂=15%的定值实际上是工程实践值，其应用前提是采用Y侧相位校正转换方式，该值是否适用于差动采用△侧相位校正转换方式，有待进一步商榷。

电力二次设备的干扰问题等都还需要经过长时间实践考验，目前主要采取措施是加强监测和分析。

4 结论

虽然三相涌流中可能有一相涌流的二次谐波成分小于10％，但是至少会有一相涌流的二次谐波成分较大。因此，二次谐波仍然是励磁涌流的一个典型特征。对于500kV超高压输电系统，特别是西北电网正在筹建的750kV特高压系统，很可能将使用国外进口的大型电力变压器，这种变压器由于使用了高性能的铁芯、其磁滞的影响将大大减小。在使用时应适当降低二次谐波制动比整定值。微机变压器差动保护中，谐波比最大相制动方式由于与模拟式保护一致，故延续传统的定值选取方法应能保证保护正常工作；综合相制动方式，其定值应该小于最大相谐波比。综合相制动方式制动比宜取为15％～17％，以保证较好的综合性能。而对按相制动方式，其定值选取要仔细考虑。

参考文献：

[1]陈剑，李炜.变压器励磁涌流的特性分析及应用[J].湖南电力，2005,25(4):4-10.

[2]黄绍平，李永坚.基于MATLAB的变压器空载合闸瞬变过程仿真研究[J].继电器，2004,32(8):19-21.

[3]王维俭，侯炳瘟.大型机组继电保护理论基础[M].北京：中国电力出版社，1997.